高保真音頻功率放大器課程設計

模擬電子技術課程設計報告設計題目：高保真音頻功率放大器的仿真設計與實現(xiàn)一要求及思路題目：高保真音頻功率放大器的仿真設計與實現(xiàn)設計任務：根據(jù)技術指標和已知條件，選擇合適的功放電路，如：OCL、OTL或BTL電路，完成對高保真音頻功率放大器的設計、調試與裝配。鼓勵自制穩(wěn)壓電源。設計要求：輸出功率10W/8Q；頻率響應20~20KHz；效率＞60%;失真小。選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。利用Proteus或Multisim仿真設計電路原理圖，確定電路元件參數(shù)、掌握電路工作原理并仿真實現(xiàn)系統(tǒng)功能。安裝調試并按規(guī)范要求格式完成課程設計報告選做：利用仿真軟件的PCB設計功能進行PCB設計。設計思路：1.4.1功放電路，我們決定在OCL、OTL和BTL電路中選擇其一進行設計。圖表1OTL,電踣圖血)電昌 00圖表1OTL,電踣圖血)電昌 00技怡廿析圏表2OCL也路圖表1OTL電路圖表2OCL電路OTL(OutputTransformerLess)電路：稱為無輸出變壓器功放電路。是一種輸出級與揚聲器之間采用電容耦合而無輸出變壓器的功放電路，它是高保真功率放大器的基本電路之一，但輸出端的耦合電容對頻響也有一定影響。OTL電路的主要特點有：采用單電源供電方式，輸出端直流電位為電源電壓的一半；輸出端與負載之間采用大容量電容耦合，揚聲器一端接地，具有恒壓輸出特性，允許揚聲器阻抗在4Q、8Q、16Q之中選擇，最大輸出電壓的振幅為電源電壓的一半，即1/2VCC,額定輸出功率約為1/(8RL)。OCL(OutputCapacitorLess)電路：稱為無輸出電容功放電路，是在OTL電路的基礎上發(fā)展起來的。OCL電路的主要特點有：采用雙電源供電方式，輸出端直流電位為零；由于沒有輸出電容，低頻特性很好；揚聲器一端接地，一端直接與放大器輸出端連接，因此須設置保護電路；具有恒壓輸出特性；允許選擇4Q、8Q或16Q負載；最大輸出電壓振幅為正負電源值，額定輸出功率約為1/(2RL)需要指出，若正負電源值取OTL電路單電源值的一半，則兩種電路的額定輸出功率相同，都是1/(8RL)。盯L(BalaneedTransformerLess)電路：稱為平衡橋式功放電路。它由兩組對稱的OTL或OCL電路組成，揚聲器接在兩組OTL或OCL電路輸出端之間，即揚聲器兩端都不接地。BTL電路的主要特點有：可采用單電源供電，兩個輸出端直流電位相等，無直流電流通過揚聲器，與OTL、OCL電路相比，在相同電源電壓、相同負載情況下，盯L電路輸出電壓可增大一倍，輸出功率可增大四倍，這意味著在較低的電源電壓時也可獲得較大的輸功率，但是，揚聲器沒有接地端，給檢修工作帶來不便。經(jīng)過篩選，為了得到更大的電壓增益放大，以及更大的功率放大，我們決定選擇盯L電路圖。我選取的芯片為TDA2030A芯片.TDA2030是一塊性能十分優(yōu)良的功率放大集成電路，其主要特點是上升速率高、瞬態(tài)互調失真小，在目前流行的數(shù)十種功率放大集成電路中，規(guī)定瞬態(tài)互調失真指標的僅有包括TDA2030在內的幾種。我們知道，瞬態(tài)互調失真是決定放大器品質的重要因素，該集成功放的一個重要優(yōu)點。TDA2030集成電路的另一特點是輸出功率大，而保護性能以較完善。根據(jù)掌握的資料，在各國生產(chǎn)的單片集成電路中，輸出功率最大的不過20W，而TDA2030的輸出功率卻能達18W，若使用兩塊電路組成BTL電路，輸出功率可增至35W。另一方面，大功率集成塊由于所用電源電壓高、輸出電流大，在使用中稍有不慎往往致使損壞。然而在TDA2030集成電路中，設計了較為完善的保護電路，一旦輸出電流過大或管殼過熱，集成塊能自動地減流或截止，使自己得到保護（當然這保護是有條件的，我們決不能因為有保護功能而不適當?shù)剡M行使用）。TDA2030集成電路的第三個特點是外圍電路簡單，使用方便。在現(xiàn)有的各種功率集成電路中，它的管腳屬于最少的一類，總共才5端，外型如同塑封大功率管，這就給使用帶來不少方便。TDA2030在電源電壓土14V，負載電阻為4Q時輸出14瓦功率（失真度S0.5%）;在電源電壓±16V,負載

電阻為4Q時輸出18瓦功率（失真度SO.5%）。該電路由于價廉質優(yōu)，使用方便，并正在越來越廣泛地應用于各種款式收錄機和高保真立體聲設備中。該電路可供低頻課程設計選用。最終，我們選擇的原理圖為，TDA2030aBTL功放電路圖。nnynnoi?HUII-丄nnynnoi?HUII-丄二仿真軟件介紹2.1仿真軟件概況Proteus軟件是英國Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真軟件），從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。仿真軟件的優(yōu)點及應用范圍智能原理圖設計豐富的器件庫：超過27000種元器件，可方便地創(chuàng)建新元件；智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷，大大縮短繪圖時間；支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰；可輸出高質量圖紙：通過個性化設置，可以生成印刷質量的BMP圖紙，可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。完善的電路仿真功能ProSPICE混合仿真：基于工業(yè)標準SPICE3F5，實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真；超過27000個仿真器件：可以通過內部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件，Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件，還可導入第三方發(fā)布的仿真器件；多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻（使用wav文件）、指數(shù)信號、單頻FM、數(shù)字時鐘和碼流，還支持文件形式的信號輸入；豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器，面板操作逼真，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器等；生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平，導線以不同顏色表示其對地電壓大小，結合動態(tài)器件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用可以使仿真更加直觀、生動；高級圖形仿真功能（ASF）:基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標，包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等，還可以進行一致性分析；單片機協(xié)同仿真功能支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等，CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加，如即將支持CORTEX、DSP處理器；支持通用外設模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等，其COMPIM（COM口物理接口模型）還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信;實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；編譯及調試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真，內帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器，也可以與第三方集成編譯環(huán)境（如IAR、Keil和Hitech）結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試；實用的PCB設計平臺原理圖到PCB的快速通道：原理圖設計完成后，一鍵便可進入ARES的PCB設計環(huán)境，實現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設計；先進的自動布局/布線功能：支持器件的自動/人工布局；支持無網(wǎng)格自動布線或人工布線；支持引腳交換/門交換功能使PCB設計更為合理；完整的PCB設計功能：最多可設計16個銅箔層，2個絲印層，4個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設置，自動設計規(guī)則檢查，3D可視化預覽；多種輸出格式的支持：可以輸出多種格式文件，包括Gerber文件的導入或導出，便利與其它PCB設計工具的互轉（如protel）和PCB板的設計和加工。資源豐富1．Proteus可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有30多個元件庫。.Proteus可提供的仿真儀表資源：示波器、邏輯分析儀、虛擬終端、SPI調試器、I2C調試器、信號發(fā)生器、模式發(fā)生器、交直流電壓表、交直流電流表。理論上同一種儀器可以在一個電路中隨意的調用。.除了現(xiàn)實存在的儀器外，Proteus還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似，但功能更多。這些虛擬儀器儀表具有理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低的輸出阻抗。這些都盡可能減少了儀器對測量結果的影響。.Proteus可提供的調試手段Proteus提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數(shù)字信號。電路仿真PROTEUS是單片機課堂教學的先進助手。PROTEUS不僅可將許多單片機實例功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。它的元器件、連接線路等卻和傳統(tǒng)的單片機實驗硬件高度對應。這在相當程度上替代了傳統(tǒng)的單片機實驗教學的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調試、運行結果等。課程設計、畢業(yè)設計是學生走向就業(yè)的重要實踐環(huán)節(jié)。由于proteus提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數(shù)量、質量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)學生實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺隨著科技的發(fā)展，“計算機仿真技術”已成為許多設計部門重要的前期設計手段。它具有設計靈活，結果、過程的統(tǒng)一的特點?？墒乖O計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發(fā)應用中proteus也能茯得愈來愈廣泛的應用。實踐證明，在使用proteus進行系統(tǒng)仿真開發(fā)成功之后再進行實際制作，能極大提高單片機系統(tǒng)設計效率。因此，proteus有較高的推廣利用價值。2.3仿真軟件版本proteus7.9三電路原理圖3.1工作原理論述

工作原理：用兩塊TDA2030組成如圖1所示的BTL功放電路，TDA2030(1)為同相放大器，輸入信號Vin通過交流耦合電容C1饋入同相輸入端①腳，交流閉環(huán)增益為KVC①二1+R3/R2~R3/R2=30dB。R3同時又使電路構成直流全閉環(huán)組態(tài)，確保電路直流工作點穩(wěn)定。TDA2030(2)為反相放大器，它的輸入信號是由TDA2030(1)輸出端的U01經(jīng)R5、R7分壓器衰減后取得的，并經(jīng)電容C6后饋給反相輸入端②腳，它的交流閉環(huán)增益KVC②二R9/R7//R5=R9/R7a30dB。由R9=R5,所以TDA2030(1)與TDA2030(2)的兩個輸出信號U01和U02應該是幅度相等相位相反的，即：U01=Uin?R3/R2U02--U01?R9/R5R9二R5U02二-U01

因此在揚聲器上得到的交流電壓為：IUY|=UOl-(-UO2)=2UOl揚聲器得到的功率為：PY=UY2/RL=(2U01)2/RL=4(UOl)2/RLinVEf12V'馳IQ1111i0Nil*aotc?inVEf12V'馳IQ1111i0Nil*aotc?tlNuli 跑JO03.2理論分析R11為變阻器，用來控制揚聲器上的端電壓。C1起到隔直傳交的作用。C3，C3和C2，C6分別是用來作為退耦電容。C8,R8和C9,R9是作為消除喇叭網(wǎng)絡和TDA網(wǎng)絡之間的影響的。R3,